“Sự ‘nổ tung’ của một chất lỏng lượng tử bao gồm ánh sáng và vật chất cho thấy các đặc tính siêu lỏng. Một nhóm các nhà vật lý do người Úc đứng đầu đã tạo ra thành công chất lỏng lượng tử chuyển động trong một ‘cái xô’ được tạo thành bởi các tia laser ngăn chặn.“
Tác giả chính, Tiến sĩ Eliezer Estrecho cho biết: “Những chất lỏng lượng tử này dự kiến sẽ gợn sóng như đại dương, nhưng chụp được những bức ảnh rõ nét về sóng là một thách thức thực nghiệm.
Được dẫn dắt bởi Đại học Quốc gia Úc (ANU), nhóm nghiên cứu đã tình cờ quan sát được chuyển động gợn sóng của chất lỏng lượng tử trong một cái xô được điều khiển bằng quang học, thu được những hiểu biết mới về các đặc tính siêu lỏng hấp dẫn của hệ vật chất nhẹ lai tạo đặc biệt này.
Tính siêu lỏng là dòng chảy của các hạt mà không chịu lực cản, và được các nhà nghiên cứu của FLEET theo đuổi cho các ứng dụng trong tương lai trong điện tử năng lượng cực thấp.
Đổ đầy thùng bằng chất lỏng lượng tử dẫn đến sự sụp đổ
Nhóm nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm trong một ‘thùng’ làm bằng la-de để bẫy các hạt được gọi là exciton-phân cực, là những hạt vật chất ánh sáng lai trong chất bán dẫn.
Khi những hạt này nguội đi, chúng tạo thành một vật thể lượng tử khổng lồ gọi là vật thể ngưng tụ Bose-Einstein (đôi khi được gọi là trạng thái thứ năm của vật chất), trong đó các hiện tượng lượng tử có thể được nhìn thấy ở quy mô vĩ mô.
Giáo sư Elena Ostrovskaya, tác giả tương ứng cho biết: “Năng lượng dư thừa bị mất đi bởi các hạt làm mát không dễ dàng biến mất, vì vậy chất ngưng tụ sẽ hiển thị một số dạng gợn sóng, điều này là ngẫu nhiên cho mọi hiện thực của sự ngưng tụ.
Sự ngẫu nhiên đó làm cho khó phát hiện các dao động nhất thời bằng camera chụp ảnh, vì nó sẽ trung bình trong thí nghiệm. Tuy nhiên, một cách tình cờ, chiếc ‘xô’ bị nghiêng.Tiến sĩ Estrecho nói: “Trong hầu hết các thí nghiệm, chúng tôi cố gắng tránh độ nghiêng vì nó làm phức tạp thêm việc phân tích “Nhưng trong trường hợp này, độ nghiêng ‘khó chịu’ cho phép quan sát dao động vì nó thuận lợi cho chất ngưng tụ chảy dọc theo hướng nghiêng.
Người ta quan sát được sự dao động sít sao ở cả vị trí và động lượng của chất ngưng tụ, hiển thị tuyệt đẹp các định luật cơ học lượng tử ở quy mô vĩ mô có thể nhìn thấy bằng kính hiển vi thông thường. Tuy nhiên, các dao động cực kỳ nhanh, do đó chỉ có thể quan sát chúng bằng máy ảnh có độ phân giải thời gian theo tỷ lệ pico giây.
Nghiên cứu tốc độ âm thanh trong chất siêu lỏng
Vẻ đẹp thực sự của thí nghiệm nằm ở việc phân tích các tần số dao động vì nó liên quan trực tiếp đến tốc độ âm thanh và có thể thăm dò các đặc tính siêu lỏng của chất lỏng lượng tử. Điều này đặc biệt có liên quan vì chất lỏng lượng tử đặc biệt này có thể tồn tại ở nhiệt độ phòng và do đó có triển vọng cho các ứng dụng thiết bị.
Sử dụng một phân tích thông minh, nhóm nghiên cứu đã trích xuất tốc độ âm thanh từ dữ liệu thí nghiệm và nhận thấy rằng tốc độ âm thanh nhỏ hơn mong đợi từ các lý thuyết phổ biến. Nhóm nghiên cứu lập luận rằng sự khác biệt phát sinh từ sự tồn tại của một hồ chứa vô hình của các hạt giống vật chất nóng tương tác với các hạt vật chất nhẹ lai.
Hơn nữa, thí nghiệm cũng cung cấp manh mối về các tác động có thể có có thể làm chậm chất siêu lỏng. Ở nhiệt độ không tuyệt đối, dao động được cho là sẽ không bao giờ kết thúc vì hệ là chất siêu lỏng. Tuy nhiên, ở nhiệt độ hữu hạn thì không phải như vậy, vì vậy việc nghiên cứu tốc độ tắt dần của các dao động là điều cần thiết để hiểu về chất siêu lỏng.
Kết quả ban đầu cho thấy rằng cả các hạt chứa, nhiệt độ hữu hạn, hay thời gian tồn tại ngắn vốn có của các exciton-phân cực đều không thể giải thích duy nhất tốc độ tắt dần quan sát được. Do đó, cần có các nghiên cứu lý thuyết sâu hơn kết hợp các hiệu ứng này và các thí nghiệm được kiểm soát cẩn thận để hiểu rõ hơn về chất lỏng lượng tử không cân bằng.
Dao động tập hợp năng lượng thấp và âm thanh Bogoliubov trong chất ngưng tụ exciton-polariton đã được xuất bản dưới dạng Đề xuất của một biên tập viên trên tạp chí Physical Review Letters vào tháng 2 năm 2021.
Nguồn Phys.org
